(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置に用いる電圧駆動型半導体素子を駆動するゲート駆動装置において、ターンオフ時に電圧駆動型半導体素子に接続されている内部インダクタンスに発生する電圧を検出するインダクタンス電圧検出手段と、オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間と予め定められた設定時間とを比較する比較手段と、前記比較結果に応じてターンオン用のゲート駆動条件を切替える切替手段と、を備え、前記オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間が前記予め定められた設定時間より長い場合に、前記切替手段は次のターンオン用ゲート駆動条件としてゲートオン抵抗を通常のゲートオン抵抗より高抵抗のゲートオン抵抗に切替えることを特徴とする電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置。
【請求項２】
電力変換装置に用いる電圧駆動型半導体素子を駆動するゲート駆動装置において、ターンオフ時に電圧駆動型半導体素子に接続されている内部インダクタンスに発生する電圧を検出するインダクタンス電圧検出手段と、オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間と予め定められた設定時間とを比較する比較手段と、前記比較結果に応じてターンオン用のゲート駆動条件を切替える切替手段と、を備え、前記オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間が前記予め定められた設定時間より長い場合に、前記切替手段はゲート駆動電源電圧を次のターンオン用ゲート駆動条件として通常のゲート駆動電源電圧より低い電圧のゲート駆動電源電圧に切替えることを特徴とする電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に適用される電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に関し、特に還流ダイオードが逆回復する時に発生するサージ電圧や振動電圧を抑制するためのゲート駆動技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に、電圧駆動型半導体素子としてＩＧＢＴを使用した周知の電圧形インバータの回路構成図を示す。２１が三相交流電源、２２が整流回路、２３が平滑用コンデンサ、２４〜２９がダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ、３０がモータ負荷である。
【０００３】
図８は、図７に示した電圧形インバータの１相分の等価回路図である。図８において、３６が平滑用コンデンサ、３７が回路の配線インダクタンス、３８がＬ負荷、３、３３がＩＧＢＴ、４、３４がフリーホイルダイオード（以下、ＦＷＤ）、５、３５がＩＧＢＴモジュールの内部インダクタンス、３２が上アームのＩＧＢＴモジュール、２が下アームのＩＧＢＴモジュール、３１が上アームのＩＧＢＴモジュール３２に接続するゲート駆動装置（ＧＤＵ１）、１が下アームのＩＧＢＴモジュール２に接続するゲート駆動装置（ＧＤＵ２）である。
【０００４】
図９に、ゲート駆動装置１の主要部の回路図を示す。図９において、６、７がＩＧＢＴをターンオン及びターンオフさせるためのスイッチ素子、８がゲートオン抵抗、９がゲートオフ抵抗、１５がオン信号及びオフ信号を出力するインターフェイス回路である。尚、この種のゲート駆動装置としては、特許文献１に開示されているとおりである。
【０００５】
図１０及び図１１に、図９のＩＧＢＴ３がスイッチングした時のＩＧＢＴ３のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥ及びコレクタ電流Ｉｃの動作波形、ＦＷＤ３４のアノード−カソード間電圧ＶＡＫ及びＦＷＤの電流（順電流ＩＦと逆回復電流）の動作波形を示す。ここで、図１０は通常電流時の動作波形、図１１は小電流時（一般的に素子定格電流の約１／１０以下）の動作波形である。
【０００６】
図８において、ＩＧＢＴ３がオン状態の時には、平滑用コンデンサ３６→配線インダクタンス３７→Ｌ負荷３８→ＩＧＢＴ３→内部インダクタンス５→平滑用コンデンサ３６の経路で電流が流れる（オンモード）。ＩＧＢＴ３がターンオフすると、ＩＧＢＴ３のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥが上昇する。ＶＣＥが直流電圧Ｅｄに達すると、ＦＷＤ３４がオンすることによって、負荷電流ＩＬはＦＷＤ３４に転流して、Ｌ負荷３８→ＦＷＤ３４→Ｌ負荷３８の経路で電流が流れる(フリーホイリングモード)。この状態から、ＩＧＢＴ３がターンオンすると、平滑用コンデンサ３６→回路配線インダクタンス３７→ＦＷＤ３４→ＩＧＢＴ３→平滑用コンデンサ３６の経路でＦＷＤ３４に逆回復電流が流れ、逆回復する。ＦＷＤ３４の逆回復動作が終了すると、再びＩＧＢＴ３がオン状態（オンモード）となる。ここで、ＦＷＤ３４の逆回復時にサージ電圧Ｖｐ１が発生する（図１０参照）。
【０００７】
図８のフリーホイリングモード時において、電流が小電流の場合にＦＷＤ３４が逆回復すると、図１１に示すように高いサージ電圧Ｖｐ２と高周波の振動現象が発生し、最悪の場合、発生ノイズの増大と共に、素子破壊に至る可能性がある。
【０００８】
このＦＷＤの低電流逆回復時のサージ電圧と振動現象による素子破壊を防ぐために、図８の従来のゲート駆動装置において、ＩＧＢＴ３のゲートオン抵抗８を大きくすることで、サージ電圧と振動現象を抑制することができる。このゲート抵抗値を大きくすることにより、ＩＧＢＴのコレクタ電流の立ち上がりを緩和する方法は、特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１６５４３５号公報
【特許文献２】特開平１０−３２９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、小電流時のＦＷＤ逆回復時のサージ電圧と振動現象を抑制するためにゲートオン抵抗８を大きくすると、通常電流時のターンオン損失が増加してしまうという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、第１の発明においては、電力変換装置に用いる電圧駆動型半導体素子を駆動するゲート駆動装置において、ターンオフ時に電圧駆動型半導体素子に接続されている内部インダクタンスに発生する電圧を検出するインダクタンス電圧検出手段と、オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間と予め定められた設定時間とを比較する比較手段と、前記比較結果に応じてターンオン用のゲート駆動条件を切替える切替手段と、を備え、前記オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間が前記予め定められた設定時間より長い場合に、前記切替手段は次のターンオン用ゲート駆動条件としてゲートオン抵抗を通常のゲートオン抵抗より高抵抗のゲートオン抵抗に切替える。
【００１１】
第２の発明においては、電力変換装置に用いる電圧駆動型半導体素子を駆動するゲート駆動装置において、ターンオフ時に電圧駆動型半導体素子に接続されている内部インダクタンスに発生する電圧を検出するインダクタンス電圧検出手段と、オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間と予め定められた設定時間とを比較する比較手段と、前記比較結果に応じてターンオン用のゲート駆動条件を切替える切替手段と、を備え、前記オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間が前記予め定められた設定時間より長い場合に、前記切替手段はゲート駆動電源電圧を次のターンオン用ゲート駆動条件として通常のゲート駆動電源電圧より低い電圧のゲート駆動電源電圧に切替える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、このゲート駆動装置をインバータ等の電力変換装置に適用すれば、自アーム素子のターンオフ時にコレクタ電流が流れ始める時間を検出することだけで、ターンオン損失を増加させずに、ＦＷＤ小電流逆回復時のサージ電圧と振動現象を抑制でき、発生ノイズの低減、素子破壊の防止が可能となる。また、各アームにＩＧＢＴが複数個直列接続された電力変換装置に適用した場合においても同様な効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の要点は、ターンオフ時に電圧駆動型半導体素子に接続されている内部インダクタンスに発生する電圧を検出するインダクタンス電圧検出手段と、オフゲート信号が入力されてから前記インダクタンス電圧検出手段が電圧検出するまでの検出時間と予め定められた設定時間とを比較する比較手段と、を備え、前記比較結果に応じてターンオン用のゲート駆動条件を切替えることである。
【実施例１】
【００１４】
図１に本発明の第1の実施例を示す。図１の実施例において、１がゲート駆動装置、２がＩＧＢＴモジュール、３がＩＧＢＴ、４がＦＷＤ、５がＩＧＢＴモジュール内部のインダクタンスである。図１より、ＩＧＢＴモジュール２は、ＩＧＢＴ３、ＦＷＤ４、内部インダクタンス５から構成され、ＩＧＢＴモジュール２のゲート端子Ｇ、主エミッタ端子Ｅ１、補助エミッタ端子Ｅ２にゲート駆動装置１が接続される。
【００１５】
図２に、本発明のゲート駆動装置の回路構成例を示す。図９の従来例と同様な機能を有するものには、同様な符号を付けている。図２において、従来のゲート駆動回路（図９）に、ターンオフ時にＩＧＢＴモジュール２の内部インダクタンス５に発生する電圧を検出する電圧検出回路１２、ターンオフ信号が入力されてから電圧検出回路１２が電圧を検出するまでの時間と予め定められた設定時間とを比較する検出時間比較回路１３、検出時間比較回路１３の結果に応じてゲートオン抵抗値を選定する抵抗値選定回路、小電流逆回復時に高抵抗１１でＩＧＢＴ３をドライブするスイッチ素子１１で構成される。
【００１６】
次に本発明によるゲート駆動装置の動作を、図３及び図４に基づいて説明する。図３は通常電流時の動作波形、図４は小電流時の動作波形である。図２において、インターフェイス回路１５からオフ信号が出力されて、ゲート電圧ＶＧＥがしきい値電圧ＶＧＥ（ｔｈ）まで下降すると、コレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥが上昇を始める。ＶＣＥが電源電圧Ｅｄまで達すると、コレクタ電流Ｉｃが減少し、ＩＧＢＴモジュール２の内部インダクタンス５に電圧ＶＬｉｎが発生する。この電圧ＶＬｉｎを電圧検出回路１２が検出すると、検出時間比較回路１３が、ターンオフ信号が出力されてから電圧検出回路１２が電圧を検出するまでの時間Ｔ1と予め定められた設定時間Ｔ０とを比較する。
【００１７】
ターンオフ時の電流が小さい場合はＩＧＢＴの帰還容量（コレクタ・ゲート間容量）を充電する時間が長くなり、ターンオフ時の電流が大きければ充電時間は短くなる。この結果、コレクタ電流Ｉｃが下降し始めるまでの時間Ｔ１は電流が小さい時は長く、電流が大きい時は短くなる。従って、検出時間比較回路１３の比較結果がＴ１＜Ｔ０であれば（図３参照）、抵抗値選定回路１４が、次のターンオン時における対抗アームのＦＷＤが通常電流で逆回復することを推測し、通常のゲートオン抵抗８を選定する。比較結果がＴ１＞Ｔ０であれば（図４参照）、抵抗値選定回路１４が、次のターンオン時における対抗アームのＦＷＤが小電流で逆回復することを推測し、高抵抗のゲートオン抵抗１１を選定する。
【００１８】
次にインターフェイス回路１５からオン信号が出力されると、通常のゲートオン抵抗８が選定されている場合は、スイッチ素子６がオンして、通常のゲートオン抵抗８でＩＧＢＴ３がターンオン動作する。また、高抵抗のゲートオン抵抗１１が選定されている場合は、スイッチ素子１０がオンして、高抵抗のゲートオン抵抗１１でＩＧＢＴ３がターンオン動作をする。
【００１９】
このことにより、対向アームのＦＷＤが、通常電流で逆回復する時は通常抵抗でターンオン、小電流で逆回復する時は高抵抗でターンオンさせることができ、通常電流動作時のターンオン損失を増加させずに、ＦＷＤが小電流で逆回復する時のサージ電圧と振動現象を抑制することが可能となる。
【実施例２】
【００２０】
図５に、本発明の第２の実施例を示す。
第1の実施例である図２との違いは、第1の実施例が対向アームのＦＷＤが通常電流で逆回復する時はＩＧＢＴを通常抵抗でターンオンさせ、小電流で逆回復する時は高抵抗でターンオンさせるのに対し、第２の実施例では、ゲート抵抗値は切替えずに、対向アームのＦＷＤが通常電流で逆回復する時はＩＧＢＴを通常のゲート駆動電源電圧Ｐでターンオンさせ、小電流で逆回復する時は通常より低いゲート駆動電源電圧Ｐ１でターンオンさせる点である。これを実現するため、抵抗値選定回路１４の代わりに電源電圧選定回路１４ａを設け、図２の抵抗１１は用いず、スイッチ素子１０とダイオード１１ａの直列回路を通常のゲート駆動電源電圧Ｐよりも低いゲート駆動電源電圧Ｐ１とスイッチ素子６と抵抗８との接続点に接続した回路構成としている。
【００２１】
このことにより、対向アームのＦＷＤが、通常電流で逆回復する時は通常のゲート駆動電源電圧でターンオン、小電流で逆回復する時は通常より低いゲート駆動電源電圧でターンオンさせることができ、通常電流動作時のターンオン損失を増加させずに、ＦＷＤが小電流で逆回復する時のサージ電圧と振動現象を抑制することが可能となる。
【実施例３】
【００２２】
図６に本発明の第３の実施例を示す。図６は、本発明によるゲート駆動装置を接続したＩＧＢＴモジュールを、複数個直列に接続した場合の例である（２直列分を図示）。図６において、ＩＧＢＴモジュール２は、ＩＧＢＴ３、ＦＷＤ４、内部インダクタンス５から構成され、ＩＧＢＴモジュール１７は、ＩＧＢＴ１８、ＦＷＤ１９、内部インダクタンス２０から構成され、ＩＧＢＴモジュール２のゲート端子Ｇ、主エミッタ端子Ｅ１、補助エミッタ端子Ｅ２にゲート駆動装置１が、ＩＧＢＴモジュール１７のゲート端子Ｇ、主エミッタ端子Ｅ１、補助エミッタ端子Ｅ２にゲート駆動装置２が接続される。
【００２３】
本実施例では、ゲート駆動装置１および２が同期した信号を入力として直列接続したＩＧＢＴ２及び１７を駆動する。各々のゲート駆動装置の動作は、上述した第１の実施例および第２の実施例と同様である。
【００２４】
以上より、ＩＧＢＴモジュールを複数個直列に接続した場合においても、各ＩＧＢＴモジュールについて、通常電流動作時のターンオン損失を増加させずに、ＦＷＤが小電流で逆回復する時のサージ電圧と振動現象を抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、ＩＧＢＴと逆並列にＦＷＤを接続したスイッチ回路を用いて構成する、スイッチング電源、電動機駆動装置、無停電電源装置などの電力変換装置への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の構成を示すゲート駆動装置とＩＧＢＴモジュールの接続構成図
【図２】本発明の第1の実施例を示すゲート駆動装置の回路構成
【図３】通常電流時の図２の動作説明図
【図４】小電流時の図２の動作説明図
【図５】本発明の第２の実施例を示すゲート駆動装置の回路構成
【図６】本発明の第3の実施例を示すゲート駆動装置とＩＧＢＴモジュールの接続構成図
【図７】ＩＧＢＴを使用した周知の電圧形インバータの回路構成図
【図８】図7の１相分の等価回路図
【図９】従来のゲート駆動装置の回路構成例
【図１０】通常電流時の図９の動作説明図
【図１１】小電流時の図9の動作説明図
【符号の説明】
【００２７】
１、１６、３１・・・ゲート駆動装置（ＧＤＵ）
２、１７、３２・・・ＩＧＢＴモジュール          ３、１８、３３・・・ＩＧＢＴ    
４、１９、３４・・・ＦＷＤ
５、２０、２４〜２９、３５・・・内部インダクタンス
６、７、１０・・・スイッチ素子          ８，９，１１・・・抵抗
１１ａ・・・ダイオード          １２・・・電圧検出回路
１３・・・検出時間比較回路          １４・・・抵抗値選定回路
１４ａ・・・駆動電源選択回路          １５・・・インターフェイス回路
２１・・・交流電源          ２２・・・整流器          ２３、３６・・・コンデンサ
３０・・・電動機          ３７・・・配線インダクタンス
３８・・・Ｌ負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0005298557.tif 000010
【図１０】
0005298557.tif 000011
【図１１】
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